2.1　蓄熱材料

2.1.1　蓄熱材料選擇原則

在固體電蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，蓄熱材料用于構(gòu)成蓄熱體，同時(shí)蓄熱材料也是影響固體電蓄熱系統(tǒng)儲(chǔ)存和釋放熱能性能的重要因素之一，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際條件對蓄熱材料進(jìn)行合理選擇。對蓄熱材料的選擇主要是對材料蓄熱方式和熱物性的選擇。

2.1.1.1　蓄熱方式選擇原則

蓄熱材料按蓄熱方式一般可分為顯熱蓄熱材料、相變蓄熱材料和熱化學(xué)蓄熱材料三類。

1.顯熱蓄熱材料

顯熱蓄熱材料利用物質(zhì)本身溫度的變化過程來進(jìn)行熱能的儲(chǔ)存。顯熱蓄熱材料在儲(chǔ)存和釋放熱能時(shí)，材料自身只是發(fā)生溫度的變化，而不發(fā)生其他任何變化，主要分為液體（如水、油等）和固體（如氧化鎂磚、混凝土等）兩種類型。

顯熱蓄熱材料價(jià)廉易得，多數(shù)材料可以直接從自然界中獲取利用，或經(jīng)過提純燒結(jié)工藝制備。由于大部分顯熱儲(chǔ)熱材料的蓄熱方式簡單、化學(xué)性能穩(wěn)定、不易揮發(fā)，所以顯熱儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)存保溫也比較簡單，通常固體顯熱蓄熱材料多燒制成蓄熱模塊，如鎂磚、鋁硅磚等，而液體顯熱蓄熱材料多通過蓄熱體儲(chǔ)存。

但由于顯熱蓄熱材料放熱過程不能恒溫、蓄熱密度小、蓄熱設(shè)備龐大、蓄熱效率不高等問題，顯熱蓄熱材料一般適用于大規(guī)模、高溫度、經(jīng)濟(jì)性要求高、裝置體積要求不大的場合。

2.相變蓄熱材料

相變蓄熱材料通過物質(zhì)發(fā)生相變來進(jìn)行熱量的儲(chǔ)存和利用，因而相變材料的最顯著特征就是可以發(fā)生相變。考慮到伴隨相變過程的材料體積變化的影響，目前，相變蓄熱材料的研究和應(yīng)用集中在固—液和固—固相變兩種類型。此外，相變蓄熱材料根據(jù)其化學(xué)組成通常還可分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料三類，如圖2-1所示。

相變蓄熱材料與顯熱蓄熱材料不同，相變蓄熱材料在蓄熱過程中溫度并非如顯熱材料一樣線性變化，而是待溫度線性上升到相變溫度后，發(fā)生相變并大量蓄熱直至物質(zhì)完成相變，因?yàn)檫@一過程的存在，相變材料的蓄熱能力通常要比顯熱材料強(qiáng)很多，并且可以在恒溫下放出大量熱量。

目前，相變蓄熱材料的研究尚未完全成熟，存在很多尚需解決的問題，如結(jié)晶水合鹽的過冷和相分離現(xiàn)象對需頻繁儲(chǔ)存和釋放熱能的蓄熱裝置的壽命與可靠性影響很大，石蠟在相變時(shí)的體積變化率較大，對蓄熱材料儲(chǔ)存容器的強(qiáng)度有較高要求。此外，相變材料的成本一般較高，部分材料還具有腐蝕性，或存在導(dǎo)熱率低、耐高溫程度低等缺陷，對容器也有較高要求，因此，不適合于大容量蓄熱，而適合于對儲(chǔ)能密度要求高的社區(qū)及家庭供暖。

3.熱化學(xué)蓄熱材料

熱化學(xué)蓄熱材料利用化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱的形式來進(jìn)行蓄熱，由于其能量儲(chǔ)存在化學(xué)鍵里，具有儲(chǔ)熱密度高、不需要保溫、可長期儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。可用于熱化學(xué)蓄熱材料的化學(xué)反應(yīng)過程目前包括氨的分解反應(yīng)、碳酸鹽化合物的分解反應(yīng)、金屬氫化物的分解反應(yīng)、無機(jī)氫氧化物的熱分解反應(yīng)等。

雖然熱化學(xué)蓄熱材料的儲(chǔ)能密度相當(dāng)于顯熱蓄熱材料的8～10倍以上、相變蓄熱材料的2倍以上，但是熱化學(xué)蓄熱系統(tǒng)的效率極大地受限于傳熱和傳質(zhì)效率，而在顯熱和潛熱蓄熱系統(tǒng)中，系統(tǒng)效率通常只受傳熱影響。因此，熱化學(xué)蓄熱系統(tǒng)更為復(fù)雜。現(xiàn)在我國的熱化學(xué)蓄熱技術(shù)還不成熟，不具備大規(guī)模商業(yè)化的條件。

2.1.1.2　熱物性選擇原則

不同材料的熱物性各參數(shù)有所差異，選擇適合的蓄熱材料對裝置性能必然產(chǎn)生有利作用。優(yōu)良的蓄熱材料應(yīng)具有如下性能條件。

1.熱力學(xué)條件

（1）高蓄熱密度。蓄熱材料應(yīng)具有較高的單位體積或單位質(zhì)量的相變潛熱和較大的比熱容。

（2）合適的使用溫度。材料的使用溫度應(yīng)滿足應(yīng)用要求。

（3）導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱系數(shù)越大，越有利于熱能的儲(chǔ)存和釋放。

（4）穩(wěn)定性。性能穩(wěn)定可反復(fù)使用，無副反應(yīng)，蓄熱性能衰減小。

（5）熱膨脹系數(shù)小。蓄熱材料的熱膨脹系數(shù)小，有利于儲(chǔ)存容器的選擇。

（6）密度。相變材料的密度應(yīng)盡量大，從而確保單位體積蓄熱密度較大。

（7）相變過程。相變過程完全可逆且只與溫度有關(guān)。

2.動(dòng)力學(xué)條件

（1）耐高溫且具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。高溫和承重條件下，避免裝置發(fā)生受熱變形和受壓碎裂。

（2）流體經(jīng)過的阻力損失小。若能提高蓄熱材料表面的光滑程度就可減小流動(dòng)阻力，在一定程度上降低風(fēng)機(jī)能耗，節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行成本。

3.化學(xué)條件

（1）腐蝕性小，與容器相容性好，無毒、不易燃。

（2）相變時(shí)不分層，化學(xué)穩(wěn)定性好，有較長的壽命周期。

（3）無過冷現(xiàn)象，熔化相變時(shí)溫度變化范圍盡量小。

4.經(jīng)濟(jì)性條件

成本低廉，制備方便，便宜易得。

蓄熱材料的實(shí)際遴選過程中，首先考慮有合適的使用溫度和較大的比熱容或相變潛熱，再考慮其他因素。可將蓄熱材料依據(jù)使用溫度進(jìn)行劃分，劃分為低溫、中溫、高溫三層，使用溫度在100℃以下的蓄熱材料屬于低溫蓄熱材料，使用溫度在100～250℃的蓄熱材料屬于中溫蓄熱材料，使用溫度高于250℃的蓄熱材料則屬于高溫蓄熱材料。然后針對蓄熱材料的溫度體系進(jìn)行適應(yīng)不同場景的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

2.1.2　蓄熱材料的基本熱物性指標(biāo)

（1）熔點(diǎn)。熔點(diǎn)是物體的物態(tài)由固體轉(zhuǎn)變（熔化）為液態(tài)時(shí)的溫度。物質(zhì)的熔點(diǎn)并不是固定不變的，壓強(qiáng)和雜質(zhì)都會(huì)影響物質(zhì)的熔點(diǎn)。蓄熱材料的熔點(diǎn)也叫相變點(diǎn)，對于顯熱材料，熔點(diǎn)是材料的極限使用溫度，材料溫度接近熔點(diǎn)就會(huì)破壞材料的結(jié)構(gòu)；對于相變材料，熔點(diǎn)通常是材料的使用溫度，利用相變點(diǎn)進(jìn)行蓄熱，既可以增加材料的蓄熱密度，還可以達(dá)到良好的控溫效果。

（2）相變工作溫度。介質(zhì)相變時(shí)的溫度或介質(zhì)工作的溫度范圍。

（3）比熱容。比熱容是單位質(zhì)量物質(zhì)改變單位溫度時(shí)吸收的熱量或釋放的內(nèi)能，用符號c表示，比熱容的常用單位為kJ/（kg·K）或kJ/（kg·℃）。比熱容是衡量蓄熱材料蓄熱能力的重要參數(shù)之一，材料比熱容越大，單位物質(zhì)在相同溫升時(shí)儲(chǔ)存的熱量就越多。但材料的比熱容不是固定不變的，當(dāng)溫度上升或發(fā)生相變時(shí)，材料的比熱容就會(huì)發(fā)生變化，圖2-2為常見耐火磚的平均比熱容與溫度的關(guān)系曲線。

（4）相變潛熱。相變潛熱指單位質(zhì)量物體在一定的溫度下發(fā)生相態(tài)變化時(shí)吸收或放出的熱量，主要有蒸發(fā)熱、熔化熱、升華熱，單位為kJ/kg。相變潛熱是衡量相變蓄熱材料蓄熱能力的另一個(gè)重要參數(shù)，由于相變材料在相變時(shí)的恒溫釋熱特性，所以相變潛熱也是相變材料蓄熱效果的重要參數(shù)。

（5）相變焓。相變焓指1mol純物質(zhì)于恒定溫度及該溫度的平衡壓力下發(fā)生相變時(shí)的焓變，單位為J/mol或kJ/mol。由于發(fā)生相變的過程恒壓且非體積做功為零，所以相變焓也稱相變熱。

（6）密度。密度指物質(zhì)存儲(chǔ)的熱量中，可完全轉(zhuǎn)換為其他能量形式的那部分能量，單位為kJ/kg。

（7）密度。密度指在一定溫度下，某種物質(zhì)單位體積內(nèi)所含物質(zhì)的質(zhì)量。密度是物質(zhì)的一種特性，不隨質(zhì)量和體積的變化而變化，只隨物態(tài)（溫度、壓強(qiáng)）的變化而變化。

（8）電阻。電阻通常用R表示，在物理學(xué)中表示導(dǎo)體對電流阻礙作用的大小。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對電流的阻礙作用越大。對于電熱元件，在同樣大小的電流下，電阻越大，功率越高。對于由某種材料制成的柱形均勻?qū)w，其電阻R與長度L和電阻率ρ成正比，與橫截面積S成反比，即

（9）導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)表征物體導(dǎo)熱本領(lǐng)的大小，是指單位溫度梯度作用下的物體內(nèi)所產(chǎn)生的熱流量，單位為W/（m·K）或W/（m·℃）。導(dǎo)熱系數(shù)λ與物質(zhì)種類及熱力狀態(tài)有關(guān)[溫度，壓強(qiáng)（氣體）]，與物質(zhì)幾何形狀無關(guān)。

大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度變化的關(guān)系近似于線性關(guān)系，即

式中　λ0——材料在0℃下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

b——由實(shí)驗(yàn)確定的溫度常數(shù)，其數(shù)值與物質(zhì)的種類有關(guān)，1/℃；

T——溫度，℃。

（10）熱力擴(kuò)散系數(shù)。又稱熱擴(kuò)散率，表示物體被加熱或冷卻時(shí)，物體內(nèi)部溫度趨于一致的能力，其表達(dá)式為

式中　α——熱力擴(kuò)散系數(shù)；

ρ——物體的密度；

cP——物體的定壓比熱容。

（11）黏度。黏度又稱動(dòng)力黏度，是反映流體流動(dòng)阻力（與流體方向相反）大小的一種流體性質(zhì)。黏度的常用單位為Pa·s、P（泊）或cP（厘泊），1P=1Pa·s。黏度還涉及運(yùn)動(dòng)黏度，對于蓄熱材料，應(yīng)從化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面進(jìn)行綜合評價(jià)并選擇。

（12）線膨脹系數(shù)。材料在某一溫度區(qū)間每升高1℃的平均伸長量稱為平均線膨脹系數(shù)，表示材料膨脹或收縮的程度。線膨脹系數(shù)具體表示為

式中　ΔL——物體長度的改變；

L——初始長度；

ΔT——溫度變化。

熱膨脹性是耐火材料使用時(shí)應(yīng)考慮的重要性能之一。蓄熱體在常溫下砌筑，而在使用時(shí)，隨著蓄熱體溫度升高，結(jié)構(gòu)體發(fā)生膨脹。為消除因熱膨脹造成的結(jié)構(gòu)體偏移變形，需預(yù)留膨脹縫。線膨脹系數(shù)是預(yù)留膨脹縫和砌體總尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。常用耐火制品的平均線膨脹系數(shù)見表2-1。

（13）孔隙率。材料的孔隙率指塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比，孔隙率的計(jì)算公式為

式中　P——材料孔隙率，%；

V0——材料在自然狀態(tài)下的體積，或稱表觀體積；

V——材料的絕對密實(shí)體積，絕對密實(shí)體積是指只有構(gòu)成材料的固體物質(zhì)本身的體積，即固體物質(zhì)內(nèi)不含有孔隙的體積；

ρ0——材料體積密度或表觀密度；

ρ——材料密度或真密度。

（14）密實(shí)度。密實(shí)度是指材料的固態(tài)物質(zhì)部分的體積占總體積的比例，即

（15）荷重軟化溫度。荷重軟化溫度又稱荷重變形溫度，簡稱荷重軟化點(diǎn)。表征耐火材料在恒定荷重下對高溫和荷重同時(shí)起作用的抵抗能力，也表征耐火材料呈現(xiàn)明顯塑性變形的軟化溫度范圍，是工程應(yīng)用中一項(xiàng)重要的高溫機(jī)械性能指標(biāo)。

（16）抗熱震性。抗熱震性曾稱熱穩(wěn)定性、熱震穩(wěn)定性、抗熱沖擊性、抗溫度急變性、耐急冷急熱性等，是材料在承受急劇溫度變化時(shí)評價(jià)其抗破損能力的重要指標(biāo)。各測試值之間越接近，精密度就越高；反之，精密度就越低，抵抗損傷的能力越低。

2.1.3　低、中、高溫蓄熱材料

2.1.3.1　低溫蓄熱材料

在低溫范圍（100℃以下）的蓄熱應(yīng)用中，常見的蓄熱材料有水、結(jié)晶水合鹽、有機(jī)蓄熱材料、熱化學(xué)蓄熱材料等，其中水和結(jié)晶水合鹽應(yīng)用最為廣泛，多以供暖應(yīng)用為主，輸出溫度在90℃以下。

低溫蓄熱要求蓄熱材料盡可能在恒溫狀態(tài)下放出熱量、溫度波動(dòng)小、占地面積應(yīng)盡可能小、節(jié)約空間、密度較高。常見低溫蓄熱材料結(jié)晶水合鹽、有機(jī)材料和熱化學(xué)材料的使用溫度如圖2-3所示。

水是常規(guī)通用顯熱儲(chǔ)能材料，結(jié)晶水合鹽和有機(jī)材料相變溫度低，適合人類生活用熱溫度，是目前家庭小型電蓄熱采暖用的熱門材料。熱化學(xué)蓄熱材料雖不成熟，但它的相變潛熱是其他蓄熱材料的7～10倍，因而，在低溫蓄熱方面也極具潛力。

在低溫蓄熱材料的其他性能參數(shù)中，熱力條件和化學(xué)條件對蓄熱裝置的設(shè)計(jì)有著較大的影響：導(dǎo)熱性限制單根電加熱元件的功率，水和結(jié)晶水合鹽的導(dǎo)熱系數(shù)較高，均在0.5W/（m·K）以上，有機(jī)蓄熱材料則多低于0.2W/（m·K），導(dǎo)熱性能較差，容易發(fā)生釋熱不均勻，發(fā)生局部溫度過高的危險(xiǎn)；熱膨脹系數(shù)、體積變化率與腐蝕性影響材料容器的封裝和壽命，有機(jī)蓄熱材料和結(jié)晶水合鹽在相變過程中有一定體積變化，多大于5%，有機(jī)蓄熱材料略高，多大于10%，相變后液態(tài)材料的熱膨脹系數(shù)也會(huì)升高，因此要求蓄熱容器具有一定的強(qiáng)度與柔韌性；此外，酸性的結(jié)晶水合鹽及有機(jī)蓄熱材料對金屬容器有腐蝕性，還應(yīng)考慮與容器的相容性問題；過冷與相分離對材料的使用及控制影響較大，低溫材料中，只有結(jié)晶水合鹽存在過冷與相分離問題。

在實(shí)際應(yīng)用中，熱化學(xué)蓄熱材料研究尚未成熟，過程可控性和腐蝕性較難掌握，應(yīng)用難度較大。水作為低溫蓄熱材料有比較廣泛的應(yīng)用，但占地面積大，對蓄熱密度要求不高，在占地面積不限的一些蓄熱應(yīng)用場景，水是最主要的蓄熱材料。目前，隨著技術(shù)的進(jìn)步，克服腐蝕技術(shù)障礙后，某些有機(jī)蓄熱材料的應(yīng)用也在逐步推廣。

2.1.3.2　中溫蓄熱材料

中溫（100～250℃）蓄熱材料分為中溫顯熱蓄熱材料和中溫相變蓄熱材料。中溫蓄熱材料效率相對較低，體積和質(zhì)量數(shù)值相對較高，各方面要求相對也低，主要針對民用領(lǐng)域，經(jīng)常作為工業(yè)加熱源，可用于化工生產(chǎn)、冶金、發(fā)電等場合。中溫顯熱蓄熱材料的使用溫度如圖2-4所示。

熔融鹽的比熱容高于液態(tài)金屬。熔融鹽具有液體溫度范圍寬、黏度低、流動(dòng)性能好、蒸汽壓小、對管路承壓能力要求低、相對密度大、比熱容高、蓄熱能力強(qiáng)、成本較低等特點(diǎn)，已成為一種廣泛用于太陽能熱發(fā)電的中高溫傳熱蓄熱介質(zhì)。液態(tài)金屬具有融化熱高、導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性好、蒸汽壓低、過冷度小、相變時(shí)體積變化小等特點(diǎn)，多數(shù)更適用于顯熱的高溫傳熱蓄熱系統(tǒng)。由于部分液態(tài)金屬熔點(diǎn)較低，在中溫領(lǐng)域也有應(yīng)用。

中溫相變蓄熱材料的使用溫度如圖2-5所示。

中溫相變蓄熱材料主要為有機(jī)相變蓄熱材料與無機(jī)鹽兩類。有機(jī)相變蓄熱材料具有穩(wěn)定性好、腐蝕性小、溫度可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于中低溫相變蓄熱領(lǐng)域，由于它們的定形功能，且相變潛熱大，因此具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。

無機(jī)鹽主要為熔融鹽類（硝酸鹽），也包含部分鹽、堿和結(jié)晶水合鹽等。其中硝酸鹽突出的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、腐蝕性小、在500℃以下不會(huì)分解；缺點(diǎn)是熱導(dǎo)率相對較低[僅為2.93kJ/（m·h·℃）]，因此在使用時(shí)容易產(chǎn)生局部過熱。但是與其他熔融鹽相比，硝酸鹽仍具有很大的優(yōu)勢。

2.1.3.3　高溫蓄熱材料

高溫（250℃以上）蓄熱材料同樣也分為高溫顯熱蓄熱材料和高溫相變蓄熱材料，應(yīng)用場景多為高溫余熱回收利用、太陽能熱發(fā)電、蓄熱供暖、工業(yè)蒸汽等。各種工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)中，500℃左右容易實(shí)現(xiàn)，但500℃以上的比較少，主要是各種材料適配性較難。但高溫儲(chǔ)能可以大大提高儲(chǔ)能密度，有更大發(fā)展空間。

高溫顯熱蓄熱材料中，導(dǎo)熱油、熔融鹽、液態(tài)金屬的溫度相對集中，但其使用溫度均無法超過500℃，超過一定溫度后，材料解列失效、氧化或達(dá)到燃點(diǎn)，因此很難作為大容量高密度的蓄熱材料。但在相應(yīng)溫度的工況下，如在高溫余熱回收中，可以以流動(dòng)液體的形式進(jìn)行換熱，吸收熱能方便，有應(yīng)用空間。金屬與氧化物的比熱容相近，但在750℃以上時(shí)，金屬的比熱容會(huì)低于氧化物，且容易接近熔點(diǎn)軟化，影響穩(wěn)定性和使用壽命。因而，氧化物作為高溫、大容量蓄熱材料比其他顯熱材料更穩(wěn)定。高溫顯熱蓄熱材料的使用溫度如圖2-6所示。

高溫顯熱蓄熱材料均具有較好的導(dǎo)熱性能，多高于5W/（m·K），是相變材料的10倍甚至1000倍，遠(yuǎn)優(yōu)于相變材料，意味著電熱絲的加熱功率可以較高，不會(huì)出現(xiàn)熱量集中滯留熔斷現(xiàn)象。不同高溫顯熱蓄熱材料的熱膨脹系數(shù)不同，但一般而言，液態(tài)高于固態(tài)兩個(gè)數(shù)量級[液態(tài)高溫顯熱蓄熱材料為10-4～10-3/℃，固態(tài)高溫顯熱蓄熱材料為（10～20）×10-6/℃。液態(tài)高溫顯熱蓄熱材料的高熱膨脹系數(shù)要求其容器裝置有一定的強(qiáng)度，固態(tài)高溫顯熱蓄熱材料的熱膨脹系數(shù)不能過大，否則會(huì)影響蓄熱體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，熔融鹽和液態(tài)金屬對金屬容器會(huì)有一定腐蝕性，容器封裝成本高，氧化物與金屬則沒有此方面問題。

相對比較而言，氧化物高溫顯熱蓄熱材料具備蓄熱高溫高密度、不易氧化、無腐蝕、膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)相對成熟，材料來源豐富且成本低廉，可廣泛應(yīng)用于化工、冶金、熱工等熱能儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。其中氧化鎂和氧化鋁是最為常見的氧化物高溫顯熱蓄熱材料。

高溫相變蓄熱材料應(yīng)用一般會(huì)顯熱和潛熱同時(shí)利用，利用物質(zhì)的溫度焓變過程進(jìn)行蓄熱，因此，同溫度范圍內(nèi)，其蓄熱能力要高于顯熱材料。熱化學(xué)、熔融鹽、金屬及金屬合金、氧化物等材料不同溫度點(diǎn)都會(huì)有相變過程，高溫相變蓄熱材料的使用溫度如圖2-7所示。

高溫相變蓄熱的應(yīng)用溫度多集中在1000℃左右，部分氧化物可達(dá)2000℃以上。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，1000℃左右為溫度上限，溫度過高，保溫散熱和配合材料應(yīng)用都將較為復(fù)雜，不太適合普遍應(yīng)用。相變材料的使用溫度一般要高于相變點(diǎn)，而且相變溫度高于使用溫度后還會(huì)造成蓄熱不充分、材料浪費(fèi)的狀況。相變材料因?yàn)橛形镔|(zhì)的相態(tài)變化反復(fù)，材料有壽命問題，固—固相變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易穩(wěn)定，固—液、氣—液等需要處理封裝和腐蝕問題，壽命和穩(wěn)定性都是需要克服和攻關(guān)的技術(shù)難題。

根據(jù)電蓄熱的應(yīng)用需求，用于供暖的電蓄熱常用材料可以選擇水、金屬、氧化物、低溫相變材料等。水有比較高的比熱容，但是使用溫度只能在100℃以下，因此儲(chǔ)能密度受限，儲(chǔ)水箱的占地面積將成為問題。金屬鐵、鋁等有良好的導(dǎo)熱率，易于傳熱，但700℃以上會(huì)達(dá)到荷重軟化點(diǎn)，爐溫范圍受到一定限制。相比較而言，氧化物類蓄熱材料有更好的溫度耐受力，比如氧化鎂的耐火度可達(dá)2000℃，氮化硅的耐火度達(dá)2300℃，其工作蓄熱溫度可達(dá)1000℃以上，所不同的是導(dǎo)熱系數(shù)，氮化硅達(dá)15W/（m·K），氧化鎂達(dá)4.5W/（m·K），但傳熱性能較好的氮化硅價(jià)格非常昂貴。同時(shí)氧化鎂在高電壓加熱元件嵌入接引的情況下，材料不易導(dǎo)電，有更好的絕緣性能，是高溫大容量電蓄熱材料的優(yōu)先選擇。

2.1.4　蓄熱材料的制備與應(yīng)用

2.1.4.1　氧化鎂

氧化鎂是一種堿土金屬氧化物，是冶鎂的原料。氧化鎂在高溫高壓下性能穩(wěn)定，絕緣性強(qiáng)，可以在800℃以上的高溫高壓儲(chǔ)能環(huán)境下使用，有高耐火絕緣性能。卓越的高溫高壓性能以及較高的比熱容使得氧化鎂蓄熱材料成為應(yīng)用最廣泛的顯熱蓄熱材料之一。

表2-2列出了氧化鎂與幾種常見蓄熱材料的性能對比，氧化鎂蓄熱材料具有極佳的耐火性能，根據(jù)氧化鎂的純度，最高可達(dá)2000℃，因而也具備極高的使用溫度，其適用的蓄熱工作溫度幾乎能滿足1800℃以下的所有蓄熱工況。而現(xiàn)在的加熱元件最高使用溫度也無法達(dá)到這樣的溫度，因此，氧化鎂大大降低了蓄熱體的維護(hù)成本。

氧化鎂作為一種高溫蓄熱材料，也有較高的蓄熱容量。氧化鎂的比熱容約為1000J/（kg·℃），相比鋼和鋁這類金屬蓄熱材料和氮化硅這類氮化物蓄熱材料，在相同的質(zhì)量和溫升下，氧化鎂儲(chǔ)存的熱量更多。

氧化鎂的線膨脹系數(shù)相對較高，氧化鎂蓄熱材料需做成磚體，并堆砌成蓄熱結(jié)構(gòu)體來進(jìn)行蓄熱，高線膨脹系數(shù)會(huì)對蓄熱體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響，在儲(chǔ)放熱的過程中，磚體的收縮膨脹可能會(huì)使磚體出現(xiàn)位移，造成蓄熱體變形，穩(wěn)定性減弱。

但氧化鎂作為高溫蓄熱材料，依然具有最佳的性價(jià)比和儲(chǔ)能成本。我國主要采用以菱鎂礦、白云石、鹵水或鹵塊為原料制備氧化鎂。其原材料資源豐富，具有原料儲(chǔ)備優(yōu)勢，80%的蘊(yùn)藏量在東北，而遼寧菱鎂礦儲(chǔ)量最為豐富，占全國的85.6%。

菱鎂礦是鎂的碳酸鹽礦物，主要化學(xué)成分為碳酸鎂，是耐火材料的最主要天然礦物原料。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）2015年公布的數(shù)據(jù)顯示，全球已探明的菱鎂礦資源量達(dá)120億t，可采儲(chǔ)量24億t，其中蘊(yùn)藏豐富的國家包括俄羅斯（6.5億t，約占總量的27%）、中國（5億t，約占總量的21%）、韓國（4.5億t，約占總量的19%）等。同時(shí)，中國也是菱鎂礦產(chǎn)量大國，全球產(chǎn)量的70.3%都由中國提供。

我國菱鎂礦資源分布的特點(diǎn)是地區(qū)分布不廣、儲(chǔ)量相對集中、大型礦床多。全國菱鎂礦主要產(chǎn)區(qū)儲(chǔ)量及分布見表2-3。

遼寧菱鎂礦石的儲(chǔ)量、產(chǎn)量及鎂質(zhì)耐火材料生產(chǎn)量、出口量均居世界首位。遼寧菱鎂礦資源主要分布在海城、大石橋、岫巖、鳳城、寬甸、撫順等地區(qū)，目前已經(jīng)地質(zhì)勘查的礦區(qū)有12個(gè)，保有儲(chǔ)量25.77億t，約占全國總儲(chǔ)量的85%，約占世界總儲(chǔ)量的20%。遼寧菱鎂礦品位高、雜質(zhì)少、工業(yè)利用價(jià)值高，在已探明的總保有儲(chǔ)量中，LM-46（氧化鎂含量不小于46%）、LM-45（氧化鎂含量不小于45%）品級菱鎂礦儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的一半以上，其中，LM-46品級以上的菱鎂礦占總儲(chǔ)量的40%左右；菱鎂礦資源集中，礦床巨大，而且埋藏淺，極適合露天大規(guī)模機(jī)械化開采；礦帶處于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的遼南地區(qū)的丘陵地帶，公路、鐵路運(yùn)輸十分方便。這些有利條件使遼寧的菱鎂礦采礦業(yè)迅速發(fā)展，并逐漸形成我國乃至世界的菱鎂礦石生產(chǎn)、供應(yīng)基地。

2.1.4.2　特制氧化鎂

1.特制氧化鎂蓄熱材料優(yōu)勢分析

特制氧化鎂與同類產(chǎn)品比較見表2-4，通過特制氧化鎂蓄熱材料制備和結(jié)構(gòu)體優(yōu)化設(shè)計(jì)，可保證高效儲(chǔ)能密度和熱效率。儲(chǔ)能密度達(dá)到500kW·h/m3以上，設(shè)備集成度高，占地面積集約化，使用壽命長，蓄熱材料取材普遍，成本低；輔以互聯(lián)網(wǎng)+分布式供熱和大數(shù)據(jù)智能調(diào)控，可配合電網(wǎng)大面積電熱調(diào)峰推廣應(yīng)用，促進(jìn)需求側(cè)大規(guī)模發(fā)展。

2.特制氧化鎂高溫蓄熱機(jī)組研制關(guān)鍵技術(shù)

（1）不同材料成分比例熱物性的研究。在鎂磚中，氧化鎂的比例成分及其余成分添加不同，鎂磚具有不同性能，特制氧化鎂高溫蓄熱材料不同成分比例熱物性對比見表2-5。材料試驗(yàn)研究的目的是蓄熱材料具有高比熱容、高密度、高導(dǎo)熱率、高絕緣性的特點(diǎn)，且高溫下使用體積穩(wěn)定性好，耐壓性高，同時(shí)不會(huì)氧化，不揮發(fā)有害物質(zhì)。

（2）模塊燒結(jié)制備工藝的研究。影響蓄熱材料模塊性能的制備工藝因素有很多，比如原料的選用、粒度的配比、混料的質(zhì)量、壓力的大小等。工藝研究內(nèi)容主要包括優(yōu)化顆粒級配、改進(jìn)壓制過程、適當(dāng)配比固體結(jié)合劑粉末等，提高蓄熱模塊制備性能。

（3）蓄熱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與溫度場分析。特殊異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的蓄熱體可以保證蓄熱體抗震性設(shè)計(jì)在7級地震以下都不受破壞；同時(shí)保證了高儲(chǔ)能密度、科學(xué)的傳熱效果和合理的溫度傳感檢測布局。

3.特制氧化鎂材料選材與制備方法

能對蓄熱材料的使用性能產(chǎn)生影響的制備工藝因素有很多，例如制備原料的選用、粒度的配比、混料的質(zhì)量、添加劑的比例、燒制溫度的高低、壓力的大小等。工藝研究內(nèi)容主要包括優(yōu)化顆粒級配、改進(jìn)壓制過程、適當(dāng)配比固體結(jié)合劑粉末等，提高蓄熱模塊制備性能。

鎂磚制備工藝流程如圖2-8所示。

（1）破碎篩分。制備各種不同粒度的原料。

（2）配料。根據(jù)產(chǎn)品配方設(shè)計(jì)，將不同原料及不同顆粒進(jìn)行組合。

（3）混煉。使物料成分均勻，不同物料之間的接觸面盡量擴(kuò)大。

（4）成型。泥料在加壓設(shè)備和模具的共同作用下，成為擁有一定形狀和強(qiáng)度的坯體。

（5）熱處理。水分排出及強(qiáng)度處理。